基于FPGA的八通道超聲探傷系統設計

摘要：文中提出了一種基于FPGA的八通道超聲探傷系統設計方案。該系統利用低功耗可變增益運放和八通道ADC構成高集成度的前端放大和數據采集模塊；采用FPGA和ARM作為數字信號處理的核心和人機交互的通道。為了滿(mǎn)足探傷系統實(shí)時(shí)、高速的要求，我們采用了硬件報警，缺陷回波峰值包絡(luò )存儲等關(guān)鍵技術(shù)。此外，該系統在小型化和數字化方面有顯著(zhù)提高，為便攜式多通道超聲檢測系統設計奠定基礎。
關(guān)鍵詞：八通道；超聲探傷；硬件報警；FPGA

超聲波探傷是一種重要的無(wú)損檢測方法，在大型鍋爐、發(fā)電機組、鐵路橋梁和航空航天等各個(gè)工業(yè)部門(mén)都得到了廣泛的應用，并成為保證工程質(zhì)量、確保設備安全的一種重要手段。
目前國內研制的超聲探傷儀器大部分為便攜式單通道。這些儀器重量輕，使用方便，便于探傷人員攜帶使用。但單通道儀器同時(shí)具有掃查面積小，速度慢，誤判率高等缺陷，不利于掃描大型器件。而少數多通道儀器則都是基于PC機所研制的。這些儀器能夠快速掃描各種器件，但是同時(shí)具有體積大，價(jià)格高等缺點(diǎn)，不利于多通道探傷儀的應用和普及。
針對上述提到的一些問(wèn)題，結合現代數字信號處理技術(shù)和微電子技術(shù)，提出了一種基于嵌入式系統和FPGA的便攜式八通道超聲探傷系統的解決方案。該方案采用ARM9處理器作為主控芯片，利用大容量的FPGA進(jìn)行并行處理，能夠同時(shí)滿(mǎn)足便攜性和實(shí)時(shí)性?xún)纱笠?。并能通過(guò)以太網(wǎng)接口，將數據快速傳輸到PC機上，對信號進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

1 八通道超聲探傷系統硬件設計
本系統的硬件總體框圖如圖1所示。系統主要包含前端發(fā)射接收電路、八通道模數轉換電路，FPGA數據處理與邏輯控制系統和ARM后處理模塊4個(gè)部分組成。

前端發(fā)射接收電路的主要作用為生成用于激發(fā)探頭陣元產(chǎn)生超聲波的高壓脈沖，接受回波，以及實(shí)現對回波信號進(jìn)行數控增益。ADC將采樣的模擬信號轉化成數字信號。FPGA模塊主要實(shí)現對數據的FIR濾波，非均勻壓縮，硬件報警，峰值包絡(luò )的存儲，以及相關(guān)的控制邏輯。ARM后處理模塊主要實(shí)現波形顯示、通道切換、頻譜分析、參數預置、人機交互等功能和一些相關(guān)外設的驅動(dòng)。
1．1 前端發(fā)射接收電路
前端發(fā)射接收電路是實(shí)現八通道超聲設備主要性能指標的關(guān)鍵。一般由探頭觸發(fā)電路，隔離網(wǎng)絡(luò )，帶通濾波器，可變增益放大器(VGA)4部分級聯(lián)而成。
可變增益放大器部分由三級可變增益AD8331級聯(lián)而成。AD8331是一款單通道、超低噪聲、線(xiàn)性dB可變增益放大器(VGA)，針對超聲系統應用進(jìn)行了優(yōu)化，可以用作低噪聲可變增益元件。這款器件內置一個(gè)超低噪聲前置放大器(LNA)、一個(gè)48 dB增益范圍的VGA以及一個(gè)具有可調輸出限制功能的可選增益后置放大器。經(jīng)過(guò)三級級聯(lián)和調試以后能夠實(shí)現0～120 dB的增益動(dòng)態(tài)范圍。
1．2 八通道數模轉換電路
本系統采用AD9212作為八通道模數轉換器。AD9212是ADI公司推出的一款八通道，10位采樣精度模數轉換器。該器件內置采樣保持電路，低成本，低功耗，小尺寸，單片集成八個(gè)通道的AD電路，能夠極大的減少電路設計的工作量和所需的電路板的面積。與此同時(shí)，AD9212采用串行LVDS數據輸出和DDR操作，既具有較高的數據輸出速率，又能減少所需的接口IO資源。
1．3 數據處理與邏輯控制模塊
在本系統中，數據處理與邏輯控制子系統承擔著(zhù)實(shí)時(shí)處理八通道數據，配置八個(gè)通道的參數，以及操作總線(xiàn)與ARM進(jìn)行通信的任務(wù)。FP GA具有豐富的可編程資源，集成度高，實(shí)現靈活，能夠很好的滿(mǎn)足設計要求。

數據處理與邏輯控制子系統的結構框圖如圖2所示，該子系統主要分成數據處理部分和邏輯控制部分。數據處理模塊實(shí)時(shí)處理數模轉換器傳輸來(lái)的數據流，邏輯控制模塊負責控制外設以及FPGA內部各個(gè)模塊的時(shí)序。數據處理模塊包括DDR2串并轉換，將AD轉換器傳輸的DDR數據串行轉換成并行數據。并行數據經(jīng)過(guò)FIR濾波器，去除了模擬前端引入的噪聲，最后通過(guò)檢波和非均勻壓縮以后得到包絡(luò )數據。邏輯控制模塊主要實(shí)現發(fā)射的正負延時(shí)控制，增益的控制以及該子系統的狀態(tài)監測和控制。